Cambio climático I: detección y atribución

En este primer artículo veremos cómo sabemos que:

(1)   el planeta se está calentando,

(2)   ese calentamiento está causado por más efecto invernadero, y

(3)   este mayor efecto invernadero se debe a la actividad humana

Próximamente, en un segundo artículo enumeraremos brevemente los

(4)   impactos del calentamiento global y las

(5)   medidas para mitigar y adaptarse al cambio climático

1. Calentamiento global: un hecho observado

Que el planeta está experimentando un calentamiento global es un hecho que hemos observado desde muy diferentes ángulos:

En la superficie del planeta lo hemos medido con estaciones meteorológicas:

Imagen:

Existen cuatro registros diferentes de temperatura global de prestigio, y los cuatro encuentran el mismo calentamiento.

En la atmósfera también lo hemos detectado, tanto con globos sonda (desde mitad del s. XX) como por satélite (desde finales de los 70), coincidiendo precisamente con el periodo en que se ha producido el calentamiento más pronunciado.

Además de las diferentes mediciones directas mencionadas, tenemos también multitud de evidencias indirectas de un calentamiento importante:

– Las reconstrucciones de temperatura mediante testigos geológicos reflejan también un fuerte calentamiento en el siglo XX.

– La pérdida generalizada de hielo en el planeta: casquetes polares, glaciares desde el trópico a los polos, hielo marino ártico, cubierta de nieve, permafrost

– El aumento del nivel del mar debido a la expansión térmica.

– Migración de animales y plantas hacia zonas más frías (más elevadas o mayores latitudes).

Aumento de la humedad específica en la atmósfera.

–  Cambios en patrones de circulación atmosférica (expansión de la Célula de Hadley y del cinturón subtropical de altas presiones, retroceso hacia los polos de la corriente en chorro, elevación de la tropopausa…)

2. La causa del calentamiento global

2.1 Climatología planetaria

Para que un planeta se encuentre en equilibrio termodinámico, debe emitir al espacio tanta radiación como recibe de su estrella (el planeta debe estar en equilibrio o balance energético). La radiación que emite el planeta viene dada por su temperatura (es radiación infrarroja). De modo que la temperatura media de un planeta será aquella temperatura con la cual emita al espacio tanta radiación como recibe.

La radiación entrante viene dada por la actividad solar y el albedo. El albedo es el porcentaje de radiación solar que no llega a entrar en el planeta porque es reflejada de vuelta al espacio por las superficies de color claro (nubes, hielo, etc). El albedo terrestre es de en torno al 30%, lo que significa que sólo el 70% de la radiación recibida del sol llega a entrar en el planeta.

La radiación saliente está regulada por el efecto invernadero. Los gases de invernadero son como una manta que dificulta que la radiación que emite el planeta escape al espacio, de modo que, cuanto más efecto invernadero, más necesita calentarse el planeta para conseguir emitir la misma cantidad de radiación.

Podemos resumir esto (conceptualmente) diciendo que la temperatura viene dada por la actividad solar y el albedo (radiación que entra) y el efecto invernadero (radiación que sale):

T = Sol – Albedo + Efecto invernadero

La meteorología redistribuye esa energía dentro del planeta, pero no afecta a la cantidad de energía. En otras palabras: la meteorología no provoca cambios climáticos. Si no cambia la cantidad de energía que entra o sale, el clima es estable (aunque haya una variabilidad de corto plazo derivada de intercambios de calor entre atmósfera y océanos).

2.2 Atribución del calentamiento al efecto invernadero

Puesto que lo que afecta al clima (balance energético) es el sol, el albedo y el efecto invernadero, podemos estudiar la variación de estos tres factores y estimar su efecto en el equilibrio energético final. Por ejemplo, esta es la variación de los principales gases de efecto invernadero durante los últimos 2.000 años:

Imagen:

 

Desde los años 50 medimos la concentración directamente en la atmósfera (estos gases se mezclan bien en la atmósfera y basta con una única estación para conocer su concentración) y con anterioridad lo medimos en las burbujas de aire atrapadas en las capas de hielo de Groenlandia y la Antártida (cada “capa” refleja un año de nevadas; cada capa más profunda es un año más antigua).

Una vez conocemos cómo han aumentado estos gases, podemos calcular el efecto de dicho aumento en el equilibrio energético del planeta, es decir, cuánto se reduce la cantidad de energía que escapa al espacio. El principio básico es que conocemos bien cómo interactúan las moléculas de los gases de invernadero con la radiación electromagnética (absortividad o transmitancia) y conocemos tanto la energía que emite el planeta como el número medio de moléculas de cada gas con que se va a topar esa radiación en su ascenso hacia el espacio exterior. Estos modelos de absorción y emisión de radiación se conocen desde principios del siglo XX y las fórmulas concretas que relacionan la variación de un gas de invernadero y su efecto en el equilibrio energético se pueden obtener en cualquier laboratorio de física atmosférica. Las tenemos recopiladas en la web de la NOAA, en los informes del IPCC, en los manuales de climatología o en publicaciones científicas especializadas:

Fuente: NOAA

Estas fórmulas nos permiten transformar una variación de un gas de invernadero en un desequilibrio energético medido en W/m2. Por ejemplo, en el caso del CO2, veremos que el aumento observado de 280 a 380 ppm (ver Imagen 2) produce un desequilibrio energético de:

F = 5,35·ln(380/280) = 1,63 W/m2

Eso significa que cada segundo entran 1,63 Julios de energía por m² de superficie más de lo que salen. A la atmósfera no le quedará otra que alcanzar un nuevo equilibrio calentándose hasta emitir tanta energía como absorbe. Cualquier mecanismo que cree ese tipo de desequilibrio radiativo en la atmósfera se conoce como un forzamiento radiativo.

Si repetimos este mismo análisis con todos los elementos que afectan al clima (sol, albedo y efecto invernadero), obtenemos la evolución de los diferentes forzamientos climáticos durante el siglo XX (parte de abajo del gráfico):

Donde observamos que los gases de invernadero son, con diferencia, el forzamiento que más ha calentado, sobre todo en la segunda mitad del siglo XX. Estos forzamientos se introducen además en complejos modelos climáticos y se comprueba si su efecto neto replica la evolución de la temperatura global realmente observada que veíamos al inicio de este artículo (Imagen 1, comparadas con los modelos en la parte de arriba de la Imagen 3), resultado que viene a validar empíricamente la robustez de los forzamientos estimados:

Imagen 4:

Además del estudio de los forzamientos y la contrastación de sus efectos teóricos con las observaciones empíricas, como de costumbre en la ciencia, tenemos otra multitud de evidencias indirectas de que el calentamiento está causado por una intensificación del efecto invernadero. Se trata de patrones en el calentamiento que son consistentes con el efecto invernadero y que excluyen sin embargo otros posibles forzamientos climáticos alternativos:

–         Carácter global: hay pocos fenómenos capaces de causar un calentamiento en todo el globo. Esto permite excluir, por ejemplo, fenómenos relacionados con corrientes oceánicas, aerosoles o variabilidad interna.

–         Calentamiento más rápido en invierno que en verano, que permite excluir al Sol, cuyo efecto se notaría más en verano, que es cuando hay más insolación.

–         Las noches se calientan más rápido que las temperaturas diurnas, lo que permite, de nuevo, excluir al Sol.

–         Calentamiento amplificado en el Ártico, lo que permite, de nuevo, excluir al Sol, cuyo efecto se notaría más en los trópicos.

–         Calentamiento del océano en todas las profundidades (no es una transferencia desde los océanos). De hecho, el retraso con el que el océano se calienta con respecto a la superficie continental, indica un calentamiento que viene de arriba.

–         Cambios atmosféricos como el aumento del vapor de agua, el enfriamiento de la estratosfera o la elevación de la tropopausa.

–         El calentamiento es inconsistente con la mera variabilidad interna, y los forzamientos naturales en el balance energético en las últimas décadas habrían producido un ligero enfriamiento.

–         Hemos comprobado por satélite que se ha reducido la cantidad de radiación infrarroja que consigue escapar al espacio, y se ha reducido precisamente en la longitud de onda que atrapan estos gases de efecto invernadero que han aumentado y que son precisamente los que nosotros emitimos (Harries et al 2001, Griggs 2004, Chen 2007). A sensu contrario, en la superficie del planeta hemos medido también el aumento de radiación infrarroja devuelta desde la atmósfera y que procede únicamente del efecto invernadero (Philipona 2004, Evans 2006).

2.3 Atribución del mayor efecto invernadero a la actividad humana

Si, por ejemplo en el caso del CO2, que es el gas más relevante, existe un ciclo natural del carbono en el que se producen intercambios de carbono entre la atmósfera y otras reservas naturales, ¿cómo sabemos que el ser humano es el causante del aumento de los gases de efecto invernadero que veíamos en el gráfico de la Imagen 2?

Ciclo natural del carbono

Como de costumbre, tenemos varias evidencias indirectas:

–         Correlación temporal: antes de que comenzasen las emisiones humanas, la concentración atmosférica de dichos gases venía manteniéndose estable durante todo el actual periodo cálido interglacial, lo que significa que el ciclo natural estaba en equilibrio, y ha sido justamente cuando nos hemos puesto a emitir a la atmósfera ingentes cantidades de determinados gases cuando han aumentado drásticamente en la atmósfera precisamente dichos gases.

–          Velocidad del cambio: en el paso de un periodo glacial a un interglacial variaba la concentración de CO2 sin intervención del ser humano, sin embargo el aumento actual de CO2 es 100 veces más rápido que el que se produce en la transición de una glaciación a un cálido interglacial.

–         Huellas isotópicas en el carbono atmosférico: los combustibles fósiles, al haber sido plantas hace millones de años, tienen más átomos ligeros de carbono (12C), mientras que el carbono atmosférico es más rico en átomos pesados (13C).  Si el aumento del CO2 se debiera a la quema de combustibles fósiles, cabría esperar una disminución de la proporción 13C/12C en el CO2 atmosférico, y eso es exactamente lo que hemos observando, y además la evolución de esta variación isotópica en la atmósfera guarda correlación con la evolución de nuestras emisiones (Ghosh 2003). Asimismo, los combustibles fósiles que utilizamos se formaron hace millones de años, por tanto no contienen carbono-14 (puesto que tiene una vida media de 6.000 años). La contrastada disminución de la proporción de carbono-14 en la atmósfera también puede explicarse por la quema de combustibles fósiles . La reducción de oxígeno en la atmósfera también se ha correlacionado con la quema de combustibles fósiles (Keeling et al 2006, Hamme et al 2006).

Pero la evidencia más clara consiste en entender que cualquier variación del CO2 en la atmósfera (V) es el resultado de sumar la aportación humana (H) y la aportación de la naturaleza (N):

V = H + N

La única incógnita de esta ecuación es el aporte natural (N), puesto que conocemos las otras dos variables: ya hemos visto en la Imagen 2 cuál ha sido la variación de CO2 en la atmósfera (V), y podemos deducir nuestras emisiones (H) a partir de las estadísticas de consumo energético de los Estados. Por tanto, es una labor trivial despejar la incógnita que nos queda: el aporte natural (N). No voy a dar los números, baste saber que el resultado de despejar tal ecuación es que el efecto neto de la naturaleza en el ciclo del carbono es el de absorber cada año la mitad de lo que emitimos. En otras palabras, el CO2, en lugar de aumentar en la atmósfera en una cantidad igual a la que emitimos, está aumentando la mitad, y puesto que nosotros no extraemos nada de la atmósfera, ello se debe a que el efecto neto de la naturaleza está siendo el de absorber esa cantidad de nuestras emisiones que desaparece de la atmósfera:

ciclo del carbono con fracción humana en color rojo

Resumiendo este primer artículo, hemos medido el calentamiento global con muy diversos instrumentos de medida, además de observarlo en los diversos fenómenos naturales afectados por el clima. Hemos averiguado la causa de ese calentamiento estudiando los diferentes factores que pueden afectar al equilibrio energético del planeta, donde hemos viso que el aumento de gases de efecto invernadero puede explicar los distintos patrones de ese calentamiento, y que ningún otro factor puede hacerlo. Por último, puesto que conocemos nuestra contribución al efecto invernadero, y la variación del efecto invernadero, podemos deducir la aportación natural, que ha sido de mitigar parte de nuestra contribución.

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Este artículo participa en la II Edición de los Premios Tesla y nos lo envía Jesús Rosino divulgador de la ciencia tras el cambio climático, traductor en Skeptical Science y autor del libro El cambio climático antropogénico. Podéis encontrarlo en su blog o en su perfil de Google+

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Por Colaborador Invitado
Publicado el ⌚ 11 diciembre, 2012
Categoría(s): ✓ Divulgación • Medio Ambiente